顶升技术在桥梁工程中的应用

徐 泉

(南通市建设工程质量监督站，江苏南通226001)

1 桥梁顶升概况

1.1 桥梁顶升技术的应用

近几年来，随着我国国民经济增长和生活水平的不断提高，交通基础设施建设也是大力发展。在中国大量运营的公路桥梁或城市跨线立交桥中，由于桥梁沉降、通航等级提高、下穿道路等级提高、路线改造等原因，引起桥下净空不足，桥梁在正常使用期限内使用功能便不能满足交通运输要求，因此对自身和下穿线路的运营安全构成隐患。在这种情况下，一般是采用正常的施工方法拆除、重建，这样就会面临施工期长、对原有交通影响大、成本高、工期长及危害环境等严重问题的困扰。另一方面，在结构承载力满足的前提下，仅因为线形不满足要求就拆除重建，也会造成巨大的浪费。因此，迫切需要提出一种方便、有效、快捷的桥梁技术改造方法。桥梁顶升技术正是针对正在使用的旧桥进行的竖直方向抬升和改造的一种技术对策。

1.2 桥梁顶升技术的发展

在我国，顶升技术从20世纪50 年代开始应用于铁路桥梁的单片预制梁的架设、移位和落梁；60 年代开始，液压技术发展较快，并开始应用于屋面的整体顶升；2003年9月我

国第一座具有里程碑意义的采用整体顶升技术改造的桥梁工程——狮子林桥主桥[1]成功落梁就位，该桥被整体抬升1.27 m，从此开创了我国桥梁顶升的先河。此后，桥梁同步顶升技术分别成功的运用在近千座桥梁中，2010年完成的世界最大跨径、最长联的桥梁顶升工程同三国道跨横潦泾大桥顶升改造工程，跨径组合85 m+125 m+85 m，全长295 m，单幅桥梁重约24 216 t，整体顶升1.58 m，创下世界最大跨径、最大吨位的桥梁顶升两项世界纪录。目前PLC液压整体同步顶升技术得已广泛应用。

2 工程实例

2.1 工程概况

某工程中顶升段桥梁全长180 m，为两联共六跨预应力混凝土连续箱梁，每联为3×30 m，桥面宽度25.5 m。为满足顶升控制系统同一个墩同步顶升和不同号墩成线型变化，同时顶升时始终保证原有箱梁的线型，采用角速度一致的等比例调坡顶升，调整顶升高度为0～4 189 mm，顶升面积为4 590 m2，各墩顶升高度、重量如表1。顶升段桥梁的总重量约8 884 t。

表1 某桥梁顶升状况

2.2 工程整体顶升方案概述

利用原承台和桥台作为千斤顶的反力基础(对于承台放置支承位置不够的，可在承台边植筋加宽承台)，在原承台上放置钢支撑，在钢支撑与箱梁底之间安装顶升千斤顶(顶升千斤顶边上需有跟随保护顶保护)，通过PLC电脑同步控制系统，采用角速度一致等比例顶升的方法，整体顶升箱梁上部(千斤顶顶升箱梁的实心部位或通过分配梁来顶升箱梁)的方法来实现抬高桥梁标高，顶升到位后(超高顶升约2 mm)，对立柱和桥台进行连接，连接完成后安装支座并浇筑垫石，支座安装好后整体下落。

2.3 调坡顶升工程中施工要点难点及解决方案

2.3.1 同步比例顶升

该立交桥需抬升，抬升的支承点共有6处(1号墩处不抬高，仅通过加桥面铺装的方式)，各处抬升量不等，抬升升量之比为1∶0.782∶0.565∶0.347∶0.217∶0.103 (根据桥梁抬升量来计算比例)，施工中共计使用14点位置同步控制，在工控总线网络控制下，14点控制系统由一台主控制器控制，运用变频调速连续控制，可以很精细的按设定的比例控制指令同步顶升，同时达到新桥梁的设计所需要的位置。

2.3.2 顶升支撑上带球头的顶升千斤顶选用

本工程顶升设备采用用200 t双作用液压千斤顶。液压顶升斤顶选用参数：200 t、63 MPa、高366 mm、底径244 mm、行程最大140 mm。千斤顶选用带球头可转动的液压千斤顶，顶部球头转角最大可达5°。顶升时随着坡度的变化，液压千斤顶与上部结构物由垂直变成不垂直，此时千斤顶顶部的球头随着上部结构坡度的变化自动调整缸顶的球头(图1)。采用此带球头的千斤顶解决了顶升过程中由于坡度变化引起的千斤顶与上部结构不垂直对结构产生的局部应力。此种装置是调坡顶升的关键技术，是调坡顶升能否成功的核心点。同时，如果液压千斤顶在顶升时发生意外内泄的意外因素，使重载顶升的安全性受到限制，设置跟随保护千斤顶就尤为必要。目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种在油缸的油压突然消失时仍能有效支撑重载工件、避免工件滑落的机械式随动支撑机构(图2)。本工程跟随千斤顶选用参数：400 t、行程140 mm、高390 mm、底径368 mm。

图1 千斤顶头部结构

图2 随动支撑结构

2.3.3 调坡中水平力的处理

调坡顶升时,随着角度的变化,会产生一定的水平力,此时水平力远小于摩擦力,但对支撑的稳定性不利,所以支撑间要用钢结构支撑体系连接成一个整体并对其进行临时加固，防止水平失稳。

顶升时随着坡度的变化,横向是不产生水平力的,纵向产生一定的水平力,水平力产生后为防止失稳,对于桥墩处的支撑采用斜向支撑的方式对其加固,防止纵向失稳。对于桥台处的支撑用型钢格构把支撑连接成一个整体。

2.3.4 顶升后箱梁的水平位移变化及处理方法

上部结构顶升到位后，梁的水平投影会变长，为满足箱梁长度的要求，确保顶升安全，并为后期伸缩缝安装预留空间，需对增长部分进行切除。

由于该项目为箱梁横截面切割，按设计要求不得破坏原结构，因此本次切割主要采用德国进口的世界领先技术的混凝土切割设备“赛迪玛WS-450H”全液压切割机进行切割，绳据切割具有切口平直、整齐、速度快、效率高、不会破坏原结构、噪音低、无粉尘、操作简便等特点。

2.3.5 顶升施工监测

桥梁顶升过程是一个动态过程，随着上部结构的提升，连续梁的纵向偏差、板梁间隙等会发生较大变化，连续梁支承点的相对变化对连续梁受力状态将会产生变化。为此要设置一整套监测系统，并要设定必要的预警值和极限值，以便将姿态数据反馈给施工加载过程，本工程动力监控系统通过PLC同步控制系统[2-3]完成。

2.4 顶升主要工序

(1)顶升准备。进场后，首先对原桥桥面标高、坡度进行测量并与原设计标高核对，以便确定实际顶升高度，使顶升完成后的桥梁线形顺畅；对桥台处的板缝进行清理；桥面上布置若干标高和中线观测点，精确测量各点的标高值及桥梁偏移情况，并做好记录，以便在顶升过程中及时监控桥梁位移情况，及时进行调控；同时做好人员、设备准备工作，确保顶升系统可靠性、正常运转。

(2)试顶升。为了观察和考核整个顶升施工系统的工作状态的校核，在正式顶升之前，应进行试顶升，顶升高度为10 mm。试顶升结束后，提供整体姿态、结构位移等情况，为正式顶升提供依据。

(3)正式顶升。试顶升后，观察若无问题，便进行正式顶升，每一个标准顶升行程按工程实际确定。

(4)桥台处桩基及后加承台施工。顶升到位后，对桥台处加桩并施工新的承台。先对桥台内侧处做一个小的基坑，然后施工钻孔灌注桩，最后施工后加的承台。

(5)桥台及桥墩接高。顶升到位后，对桥墩进行重新连接。并施工好桥台后加桩基及承台后，对桥台进行重新连接。对桥墩连接时，把原有的跟随顶及支承拆除掉，此时顶升千斤顶处于空缸状态(缸内无油)和下部的支承钢管来支撑上部的荷载，同时保留超垫的部分支撑(部分超垫垫块位置需调整，总体上保证模板好施工)。

(6)支座安装。等立柱浇筑完成后，安装接高墩处及边墩调坡为零处的支座，先对支座下部的垫石用高强灌浆料浇筑，浇筑完成后，安装支座，此时支座顶面与箱梁底面仍成很小的角度，为保证支座安装的密贴，对支座上部与箱梁底部间压浆。

(7)整体下落。等立柱浇筑完成后，对上部结构整体下落。采用整体超顶0.2 cm，下落位移较小，整体同步下落即可。

(8)整体恢复。等下落完成后对桥面铺装进行加高，对下部的支承进行拆除，对限位进行拆除，并对原有的承台进行回填土恢复，并恢复伸缩缝，铺筑路面，恢复交通。

2.5 顶升方案中各环节详述

2.5.1 千斤顶箱梁顶升部位

顶升部位选择有两种方案：方案一是顶升到实心部位；方案二是顶升至非实心部位。对于顶升非实心部位的地方，需要加分配梁。由于受下部承台基础的约束，承台基础在箱梁投影部位较少，所以此处的分配梁非常大(图3)。对于上述两种方案，本工程采用方案一更利于上部结构的安全。

图3 箱梁非实心部位立面与侧立面

2.5.2 顶升基础

利用现有的的承台和桥台作顶升基础，对于位置不够的地方，应对承台适当加宽。

2.5.3 千斤顶顶升和跟随保护顶支撑体系

千斤顶顶升支承采用直径609 mm钢管，钢管的法兰直径为750 mm，壁厚12 mm，钢管与承台植筋连接，各组钢管之间用钢结构连接系连接。

钢管加工成工具式垫块，垫块采用多种标准规格的精加工钢管。顶升前按规定高度配置好，当顶升时不断更换上述垫块。 同时本工程是调坡工程，考虑调坡顶升时各墩的高度不一，在小于10 cm内采用一些1～20 mm不等厚的钢板。同时在千斤顶下方放置木楔子可灵活调整顶升支撑的高度。

本工程桥梁顶升高度较高，钢支撑容易失稳。为保证钢支撑的稳定性，采用精加工槽钢水平分段通过螺栓连接形成整个钢支撑体系，通过槽钢作为水平连系杆及剪刀撑连成一个格构柱，形成水平稳定体系，确保施工安全。

跟随千斤顶支承体系采用钢箱混凝土垫块。该种垫块优点是抗压强度优于混凝土，重量低于纯钢实心垫块，加工精度易于控制，单个垫块高度误差可以小于±0.3 mm，同一支点垫块累计误差不超过4 mm。

支撑垫块的安装采用具有升、降、推、拉等功能升降液压设备，人工配合准确就位。

2.5.4 顶升限位

由于千斤顶安装的垂直误差及顶升过程中其它不利因素的影响，同时考虑桥梁调坡顶升过程中，随着梁体水平投影长度的不断变化，会造成梁体的水平位移，为避免出现此类情况，需设置平面限位装置(图4)，限制纵横向可能发生的位移。

图4 平面限位装置

2.5.5 千斤顶布置

顶升油缸、千斤顶和跟随保护千斤顶布置时必须左右对称，以保证上部箱梁受力均匀，防止上部混凝土局部受力产生裂缝。安全储备系数为1.8倍以上。根据本工程实际情况，千斤顶数目配备如表2。

表2 千斤顶配备数量

2.5.6 千斤顶分组

同一个墩位置对称两边的千斤顶分成一组，每个主墩分成2组，全桥共分成14个组。

2.5.7 液压泵站及控制系统选用

本项目设备共采用7台液压泵站(图5)，采用一套14点同步控制系统(图6)。

图5 液压控制泵站

图6 PLC同步控制系统

2.5.8 整体超顶高度的确定

调坡顶升后支座垫石与支座加起来的高度在35 cm左右，在柱子浇筑时，此高度浇筑仍存在一定的困难，对此有二种方案。

方案一：整体超高顶升30 cm，柱子浇筑完成，支座安装好后整体下落。

方案二：把支座垫石的高度变高(增加约25 cm)，超高顶0.2 cm，柱子浇筑完成，支座安装好后整体下落。

对于整体超高顶升30 cm下落风险较高，较大位移的整体下落，此时跟随保护顶不能有效使用，所以只能采用超垫的方法，即采用方案二下落的高度控制在几毫米。

2.6 应用结果

本工程通过采用PLC同步顶升技术，安全准确使箱梁整体调坡到位，箱梁未见顶升施工受力裂缝，且经现场检测和后续连续观察，纵向坡度和高程及纵、横向位移均符合要求(图7、图8)。

图7顶升调坡前

图8 顶升调坡后

桥梁采用整体顶升调坡和拆除重建关于工期、效益比较如表3。

表3 工期、效益比较

整体顶升方案比拆除重建方案要省1100万元，时间上减少了3月，整体顶升方案优势明显。

3 结束语

桥梁顶升技术具有少影响交通、施工快捷、效果显著、经济性良好等优点，使其受到越来越多的关注。但由于顶升技术是近些年才应用于桥梁，因此对其研究的介绍和总结较少，施工经验的推广和积累受到很大限制，为此本人结合工程经历对桥梁顶升技术做了一个较为简单的介绍，希望桥梁顶升技术能更好的推广应用，造福社会。

[1] 天津建设科技编辑部.天津市狮子林桥整体抬升成功-天津城建集团完成我国第一座采用整体顶升改造的桥梁[J].天津建设科技，2003,(5):35-36

[2] 汪学谦,汪晓岚,蓝戊己.PLC 控制液压同步顶升系统在连续钢箱梁悬臂架设施工中的应用[J].世界桥梁，2005,(2):33-35,38

[3] 实用动力有限公司.利用液压控制同步顶升系统实现桥梁改造[J].工程机械，2002，(16):10-12